JP2008039782A - Ｇｍｒセンサストライプ、ｇｍｒセンサストライプアレイおよびそれらの形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 微小磁化粒子の存否を高感度で正確に検出する方法を提供する。
【解決手段】 このＧＭＲセンサストライプアレイは、つづら折り状に直列接続された複数のＧＭＲセンサストライプ１，２，３を含み、基板に取り付いた生物学的分子に結合した磁気粒子を検出する感度のよい機構を提供する。フリー層の磁気モーメント１１，２２，３３のためのバイアス点を安定させる上で不都合となるヒステリシスの悪影響は、縦方向に沿ってセンサにバイアスをかけると共に、絶縁層４５の応力と磁性層（フリー層およびピンド層）の磁歪とを利用して横方向の補償磁気異方性を作り出すことにより、低減される。また、ストライプ間の分離領域４４の寸法を磁化粒子の直径よりも小さくすると共に、ストライプ１１，２２，３３の幅寸法を磁化粒子の直径と同等にすることにより、ＧＭＲセンサストライプアレイの感度が向上する。
【選択図】 図１

Description

本発明は微小な磁化粒子（ビーズ）を検出するためのＧＭＲセンサに係わり、特に、化学的または生物学的分析で存否決定が必要な分子にそのような磁化粒子を結合させた場合において、その磁化粒子を検出することが可能なＧＭＲセンサストライプ、およびこれを配列してなるＧＭＲセンサストライプアレイ、ならびにそれらの形成方法に関する。

特定の化学・生物学的分子( 以下、ターゲット分子(target molecule) という。）の存在を検出するのに有効なセンサとして、ＧＭＲ(giant magnetoresistive)デバイスの利用が提案されている。例えば、検出の必要性のない他の分子をも含んだ混合液の一部としてそのようなターゲット分子が含まれている場合などに、ＧＭＲデバイスが用いられる。

そのような分子の磁気的検出の基礎となる基本的方法では、まず、ターゲット分子を含有する混合液中のすべての分子に微小な磁気粒子( 磁化可能な粒子) を貼り付ける( 結合させる) 必要がある。なお、以下の説明では、磁気粒子(magnetic particles)を適宜、磁気ビーズ(magnetic beads)ともいう。このような磁気粒子は、分子に結合させるために、混合液中で分子に結合可能な化学・生物学的な種（species ）によって磁気ビーズを被覆することにより作製される。

次に、ターゲット分子にのみ結合可能なリセプタサイト(receptor site) 、すなわち、特定の分子が固定された表面（すなわち、基板）を用意する。こうして用意した表面に混合液を接触させてターゲット分子を結合させたのち、その表面を所定のやり方で洗浄して未結合分子をすべて除去する。結合されたターゲット分子には（洗い流された未結合分子もまた同様であるが）磁気ビーズが貼りついているので、この磁気ビーズを検出するだけで、同時に、捕獲ターゲット分子の数を計測することが可能となる。このように、ターゲット分子が化学結合によって基板表面のリセプターサイトに捕獲されると、磁気ビーズは、容易に検出・計数可能な単なるフラグとして機能する。そして、磁気ビーズを検出することはターゲット分子を検出することと同じであるから、ここで検討すべき課題は、微小な磁気粒子を検出するための有効な方法を提供することである。

リセプターサイトに結合している分子に貼りついた微小な磁気ビーズを検出するための従来方法の一つとして、リセプターサイトの下に（例えば、リセプターサイトが設けられた基板表面の下方に）ＧＭＲセンサを配置する方法がある。

図４は、従来の典型的方法論を表すもので、ターゲット分子に選択的に結合可能な複数のリセプタサイト２０によって覆われた磁気粒子１０を模式的に示している。ここでは、すでにリセプタサイト２０のひとつにターゲット分子３０（ハッチング部分）が結合した状態を示している。基板４０は、やはりターゲット分子３０に特有の複数のリセプタサイト５０によって覆われている。これらのリセプタサイト５０は、一般に、磁気粒子をターゲット分子に結合させるリセプタサイト２０とは異なるものである。図４では、ターゲット分子３０が基板表面のリセプタサイト５０のひとつに結合している様子を示している。

従来のＧＭＲセンサ６０は、（その詳細を図示しないが、）リセプタサイト５０の下側に配置されている。このＧＭＲセンサ６０は、その断面を図５に示したように、非磁性導電性のスペーサ層５３０によって分離された磁気フリー層６１０および磁気ピンド層６２０を含んで構成される積層薄膜ストライプとして形成するのが好ましい。通常は、さらにキャップ層（またはオーバー層）５５０を含んでいる。このような薄膜ストライプからなるＧＭＲセンサは、その性質により、本質的に、フリー層とピンド層の磁気モーメント（図４の紙面から飛び出てくる向きの矢印６４０，６５０）の相対角度に依存する抵抗値をもつ抵抗器として機能する。

図６は、図５に示したセンサを上方から見た状態を模式的に表すものである。この図では、磁気モーメント６４０，６５０の方向をよりわかりやすく描いている。磁気モーメント６５０は磁気モーメント６４０の下側にあるので、破線で描いている。この図にはまた、外部磁界の等高線（磁界強度の等しい線）を示す２つのローブ８００（Ｂ）を図示している。この外部磁界は、ＧＭＲセンサ６０の上方に位置する磁化粒子（図４の磁気粒子１０）によって生ずるものであり、その強度を矢印１６０によって方向性と共に示している。この様子はまた、後述する図７においてよりわかりやすく描かれている。これらのローブで示した外部磁界は、フリー層の磁気モーメント６４０を偏らせるように作用するが、ピンド層の磁気モーメント６５０は変化しない。

図７は、典型的な従来構成を表すもので、基板４０の上に形成された表面層４５の上方に磁気粒子１０が結合配置された様子を表すものである。表面層４５は、結合サイトを支持するのに必要なもので、窒化シリコン（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）等で形成可能である。基板４０は、シリコン（Ｓｉ）で構成可能であり、その上に（あるいはその内部に）、必要な回路が形成されている。簡単のため、ターゲット分子３０は図示していない。

ＧＭＲセンサ６０は、上記した図５のように構成されており、表面層４５と基板４０との間に設けられている。基板４０の下側には、基板４０、ＧＭＲセンサ６０および磁気粒子１０を貫く垂直方向の外部磁界１２０（Ｈ）を発生する電磁石１００が置かれている。外部磁界１２０（Ｈ）は、ＧＭＲセンサ６０の磁気モーメント６４０，６５０と直交しており、磁気モーメント６４０，６５０の相対角度を変化させることがない。磁気粒子１０がもつ磁気的性質により、外部磁界１２０（Ｈ）は、磁気粒子１０中に矢印で示した磁気モーメント１５０（Ｍ）を生じさせる。この磁気モーメント１５０（Ｍ）は、破線で示したローブのように、磁気粒子の境界を越えて延びる磁界を生じさせる。この磁界は、今度はセンサ面を貫き、その面内磁界成分１６０（Ｂ）がセンサのフリー層の磁気モーメントの方向を変化させる。

フリー層の磁気モーメント６４０は、フリー層面内の、磁化ビードによる面内磁界成分１６０（Ｂ）の存在のせいで、ピンド層の磁気モーメント６５０に対して相対的な方向へと変化する。磁化ビードの存在によってフリー層の磁気モーメントが影響を受けると、これに応じて、ＧＭＲセンサストライプの抵抗値が変化する。この抵抗値変化を検出することにより、磁化ビードが存在するか否かを知ることができる。結局、ターゲット分子が結合していることが検出される。最後になるが、センサアレイは、多くの結合サイトで覆われた広い面積の基板の下側に形成可能である。センサアレイの抵抗値変化は、サイトに捕獲されたターゲット分子の数を示す有効な指標となり、その数は、分析対象の混合液中のターゲット分子濃度に関連したもとなる。

周知のように、フリー層の磁化は、センサ動作時においては外部の磁気的刺激に応じて移動するが、非動作時においてはフリー層の磁化が固定されていて外部磁界によって動かないようになっているのが好ましい。このような状況下でフリー層の磁化を固定することを、「フリー層のバイアス」という。そして、このときのフリー層の磁化モーメントの位置をバイアス点という。また、フリー層のバイアス点がヒステリシスの影響を受けることも周知である。このことは、フリー層の磁化が外部の磁気的刺激によって正および負の方向を向いたのち再び動作休止状態になるというサイクル変化の前後でバイアス位置が同じくなるように保たれることはない、ということを意味する。このヒステリシスは、特に、フリー層の磁化を動かす外部刺激が微小である場合には、センサ読出の再現性にとって好ましからざる影響を与えるものである。

本発明の目的の一つは、ヒステリシスの悪影響を低減することにある。生物学上の分子識別の重要性が益々増大していることから、ＧＭＲセンサやその他の磁気センサの利用を目指した膨大な量の先行技術が存在することが当然に予想される。先行技術を調査したところ、以下の文献が見つかった。ＧＭＲセンサを利用した技術のみならずいくつかの異なったアプローチの概要を示す論文として、下記のJ.C.Rifeらによるものがある（非特許文献１）。

ターゲット分子の検出のために磁気的ラベルを用いることについての早期の開示は、Baseltらによる特許文献１に見られる。この文献には、ターゲット分子を、それ自体が磁界センサの表面に共有結合可能な識別剤(recognition agent) に結合させるシステムについての記載がある。ターゲット分子のみならず非ターゲット分子もまた、磁化可能な粒子に共有結合される。磁化可能な粒子は、超常磁性酸化鉄含浸ポリマー粒子(superparamagnetic iron-oxide impregnated polymer beads)であることが好ましく、また、センサは磁気抵抗効果素子である。このセンサは、ターゲット分子の存否を示すことができる。一方、識別剤に結合していない分子( 非ターゲット分子) は、磁界を印加することにより、システムから除去される。

Tondraによる特許文献２は、そのような方法における検出手法について特に詳細に議論している。この文献は、選択された分子種の存在を検出するための、強磁性膜ベースのＧＭＲ磁界センサについて開示している。この文献は、さらに、複数のセンサストライプからなるブリッジ回路および直列接続回路を用いたＧＭＲセンサアレイの感度を向上させる方法について開示している。そして、本来備わっている固有磁界（intrinsic magnetic field）が非常に小さく、かつ、ターゲット分子が捕捉されたあとに外部磁界源によって磁化されるような常磁性粒子を用いることを開示している。

Coehoornらによる特許文献３は、上記の特許文献２と似たシステムを開示している。そこでは、磁気ナノ粒子がターゲット分子に結合されるが、磁気センサ要素の長さは磁気ナノ粒子の１００倍以上大きい。

Prinz らによる特許文献４には、磁気検出素子を用いることが開示されている。この磁気検出素子における、導電性の強磁性材料からなる平面層は、その初期状態において環状磁気モーメントを有している。その他の点について見ると、このセンサは、その表面に、液状試験媒体の一部であるターゲット分子を結合させる基本ステップを実行するようになっている。上記の特許文献２，３のＧＭＲデバイスとは異なり、特許文献４のセンサは、ターゲット分子に結合した磁化粒子によって生成されるフリンジ磁界(fringing fields) の作用の下で、磁気モーメントを、環状から放射状へと変化させるようになっている。

Gambino らによる特許文献５は、基板上に間隔をおいて配置された複数の磁気ストライプを用いて構成した磁界センサについて開示している。この磁界センサでは、各ストライプの端部における漂遊磁界が互いに磁気結合し、各ストライプが互い違いの方向に磁化されるようになっている。

Simmondsらによる特許文献６には、粒子の磁界を振動させると共にそれらをコイルと誘導結合させて振動磁界の存在を検出することにより磁気粒子を検出する方法について記載されている。したがって、このセンサは、上記のようなＧＭＲセンサではない。にもかかわらず、このセンサは、微小磁気粒子の存在を検出可能である。

Sager らによる特許文献７は、ホール効果素子を用いて磁気粒子を検出することについて開示している。

「バイオセンサにおける微小磁気ビーズ検出のためのＧＭＲセンサの設計と性能」，センサとアクチュエータＡ１０７ (２００３）２０９- ２１８（"Design and performance of GMR sensors for the detection of magnetic microbeads in biosensors" J.C.Rife et al., Sensors and Actuators A 107 (2003) 209-218） 米国特許第5,981,297 号 米国特許第6,875,621 号 米国特許公開第2005/0087000号 米国特許第6,844,202 号 米国特許第6,775,109 号 米国特許第6,437,563 号 米国特許第6,518,747 号

誘導作用による検出やホール効果による検出ではなくＧＭＲセンサを利用した上記の検出方法はすべて、ＧＭＲセンサが、バイアス方向をフリー層の磁化方向に再現性よく保つことができない場合に、悪影響を受ける。このような再現性の欠如は、磁気ヒステリシスに起因して生ずるものである。この磁気ヒステリシスは、検出される外部磁界によってセンサにおけるフリー層の磁気モーメントがそのバイアス方向の周りを周回する場合に、必ず発生するものである。極めて微小な磁化粒子を検出するためのＧＭＲセンサ用途においては、外部磁界は微小である。このため、センサフリー層のバイアス点を固定する方法においては、あまりに強くバイアス点を固定することはできない。あまりに強くバイアス点を固定すると、センサが測定しようとしている刺激に対する、フリー層の磁気モーメントの応答能力を制限してしまうことになるからである。したがって、極めて微小な外部磁界であっても検出できるようにするために磁気モーメントが十分自由に動けるようにしつつ、フリー層のバイアス点を固定する方法を見い出すことが必要である。

しかしながら、上記の非特許文献１および特許文献１〜７には、このような課題についての有効な提案はなされていない。

本発明は係る課題に鑑みてなされたもので、その主目的は、微小磁化粒子の存否判定を可能にするＧＭＲストライプセンサ、およびこれを用いたＧＭＲストライプセンサアレイを提供することにある。

本発明の第２の目的は、微小磁化粒子が化学・生物学的な分子に結合している場合において、そのような微小磁化粒子の検出を可能にするＧＭＲストライプセンサ、およびこれを用いたＧＭＲストライプセンサアレイを提供することにある。

本発明の第３の目的は、微小磁化粒子を検出するためにＧＭＲストライプセンサがもつ磁気抵抗効果の性質を効果的に利用して構成したＧＭＲストライプセンサ、およびこれを用いたＧＭＲストライプセンサアレイを提供することにある。

本発明の第４の目的は、微小磁化粒子の存否検出に適した磁気デバイスであって、磁気ヒステリシスに起因するフリー層バイアス点の非再現性によって外部磁界に対するセンサ応答が悪影響を受けることがないＧＭＲストライプセンサ、およびこれを用いたＧＭＲストライプセンサアレイを提供することにある。

本発明の第５の目的は、高い感度を有すると共に、再現性の高いフリー層バイアス点を有するＧＭＲストライプセンサ、およびこれを用いたＧＭＲストライプセンサアレイを提供することにある。

本発明の第６の目的は、上記した性能を有するＧＭＲストライプセンサおよびＧＭＲストライプセンサアレイの形成方法を提供することにある。

上記の目的は、以下に列挙する特徴をもったＧＭＲセンサデザインによって達成される。但し、ここに列挙する中で登場する括弧内符号は、あくまでも理解を容易にするために便宜上用いているに過ぎず、本発明の構成要素がこれらの符号で示される要素に限定されることを意図するものではない。なお、これらの特徴については、後述する実施の形態において図１および図２の模式図と共により詳細に説明する。

１．このセンサは、細長いストライプ形状を有する複数のＧＭＲ膜（１，２，３）から構成され、導電体（５００，６００）によって電気的に直列接続されている。
２．各センサストライプのフリー層およびピンド層は、磁気的にバイアスされている。そのバイアスの磁気モーメントは、長手方向に向いており、矢印（１１，２２，３３）によって表される。
３．複数のセンサストライプは、隣り合うストライプが互いにほぼ平行になると共に、それらの磁気モーメントのバイアス位置が互いに平行な方向を向くように、つづら折り構造をなして配置される。
４．隣り合うストライプ間のスペース（４４）は、検出対象の磁気粒子の大きさよりも十分小さい。
５．各ストライプの幅（９００）は、検出対象の磁気粒子の大きさと同等である。
６．各ストライプは、フリー層（９９）と、ピンド層（７７）と、これらの２つの層を隔てる金属スペーサ層（８８）とを含む積層構造（図２）を有する。ピンド層は、ピンニング強度を高めるために、シンセティック構造とすることが可能である。ストライプは絶縁層（４５）によって取り囲まれている。
７．各ストライプの磁気異方性は、フリー層の膜厚を最小化すると共に、フリー層とピンド層との間の層間結合を最小化することにより、小さくなる。
８．フリー層の膜厚は、ＭＲ比（抵抗変化率）ｄＲ／Ｒが低下しない範囲で、最小化される。
９．層間結合は、フリー層とピンド層との間の金属スペーサ層の膜厚の調整によって最小化される。
１０．膜の磁歪は、オーバーコート層の応力と連携して調整され、正味の応力由来異方性を生じさせる。これらの２つの応力ファクタを適切に組み合わせることにより、応力由来磁気異方性の容易軸がストライプの長手方向と直交する方向を向くようにすることができ、その結果、フリー層の形状異方性が打ち消される傾向となる。

上に列挙した特徴は、微小な外部磁界に対しても応答可能なフリー層磁化を保つ一方で再現性のよいバイアス点を有するセンサをもたらすものである。特に、バイアス方向をセンサストライプの長手方向にセットしたとすると、バイアス点の安定化を阻害するようなヒステリシスの悪影響は、（幅方向よりも長手方向の方が長い）ストライプ形状によって生ずる形状異方性によってオフセットされる。しかしながら、形状異方性と直交する応力誘起異方性を磁歪と組み合わせることにより、全体としての磁化応答性が保たれ、センサは微小な外部磁界にも感応可能である。さらに、アレイ中の隣り合うストライプ間のスペースを磁気粒子の直径よりも小さく形成し、ストライプの幅を磁気粒子の直径と同等程度にすると共に、、隣り合うストライプ同士を互いに平行な方向に向けることにより、必ず、磁気粒子の位置が、隣り合う２つのストライプに重なるようにすることができる。これにより、それらの２つのストライプによる直列的な応答を得ることが可能になり、検出性能が向上する。

より具体的には、以下の各手段により、上記の各目的が達成可能である。

本発明の第１のＧＭＲセンサストライプは、等しい水平方向寸法を有する複数の水平平面層(horizontal planar layers)からなり、磁気ヒステリシスに対して安定化されたフリー層バイアス点を有するＧＭＲセンサストライプであって、磁気モーメントを有するピンド層と、ピンド層の上に形成された非磁性導電性のスペーサ層と、スペーサ層の上に形成され、磁気モーメントを有する強磁性のフリー層と、フリー層の上に形成されたキャップ層とを備えたものである。ここで、各層は、幅方向の寸法よりも長手方向の寸法の方が大きく、かつ、非動作状態においてピンド層とフリー層の磁気モーメントが長手方向と平行になるように構成されている。例えば、フリー層の長手方向の寸法は１０μｍから２００μｍ程度とし、幅方向の寸法は１ｎｍから５ｎｍ程度とするのが好ましい。

本発明の第１のＧＭＲセンサストライプでは、ピンド層とフリー層は、長手方向に沿って形状由来磁気異方性（shape induced magnetic anisotropies ）を有することが好ましい。また、ピンド層とフリー層とは、スペーサ層を介して、フリー層の形状由来磁気異方性よりも弱く磁気結合しているのが好ましい。この場合においてさらに、ピンド層とフリー層との磁気結合により、微弱な外部磁界に対するフリー層の磁気モーメントの応答が最大になるように構成するのが好ましい。フリー層は、その材料組成を変化させることによって調整可能な磁歪を示すものであることが望ましく、かつ、ストライプ構造の周囲部分によってフリー層内部に応力が発生するようになっているのが好ましい。そして、磁歪と応力との組み合わせは、ストライプの幅方向を向くと共にフリー層の形状磁気異方性を打ち消す応力由来磁気異方性（stress-induced anisotropy ）を生じさせるように調整するのが好ましい。

本発明の第２のＧＭＲセンサストライプは、等しい水平方向寸法を有し連続的に積層された複数の水平層（contiguous horizontal layers）からなるストライプ状の積層体として形成され、磁気ヒステリシスに対して安定化されたフリー層バイアス点を有するＧＭＲセンサストライプであって、磁気モーメントおよび磁歪係数を有するピンド層と、ピンド層の上に形成された非磁性導電性のスペーサ層と、スペーサ層の上に形成され、磁気モーメントおよび磁歪係数を有する強磁性のフリー層と、積層体を取り囲むように包み込んで、この積層体に異方性の圧縮応力または引張応力を生じさせる絶縁材料層とを備えたものである。ここで、各層は、幅方向の寸法よりも長手方向の寸法の方が大きいことに起因する形状由来磁気異方性を有し、かつ、フリー層は、異方性の圧縮応力または引張応力と磁歪係数との組み合わせによる応力由来磁気異方性を備えている。また、非動作状態において、ピンド層とフリー層の磁気モーメントが長手方向と平行になるように構成されている。

本発明の第２のＧＭＲセンサストライプでは、フリー層およびピンド層の磁化配列が、磁気ヒステリシスに対して安定したセンサ縦バイアス(lengthwise biasing)を生じさせるようにするのが好ましい。

本発明の第１および第２のＧＭＲセンサストライプでは、フリー層は、ＣｏＦｅまたはＮｉＦｅからなり、１ｎｍから１０ｎｍの膜厚を有するのが好ましく、ピンド層は、ＣｏＦｅまたはＮｉＦｅからなり、１ｎｍから１０ｎｍの膜厚を有するのが好ましい。スペーサ層は、Ｃｕからなり、１ｎｍから２ｎｍの膜厚を有するのが好ましい。

本発明のＧＭＲセンサストライプアレイは、ＧＭＲセンサストライプをつづら折り状に互いに電気的に直列接続して構成され、微小磁気粒子を検出するＧＭＲセンサストライプアレイであって、基板と、基板上に形成され、水平方向に平面的であって(horizontally planar) 互いに等しい構成を有する整数個（第１から第ＭまでのＭ個）のＧＭＲセンサストライプとを備えたものである。ここで、各ＧＭＲセンサストライプは、幅方向の寸法よりも長手方向の寸法の方が大きい矩形形状を有し、磁気バイアス方向が長手方向に沿っている。各ＧＭＲセンサストライプは、幅方向の上端縁および下端縁を有すると共に、それらの上端縁同士および下端縁同士が間隔をもって共直線性(co-linear) を保ちつつそれらの長手方向の側端縁同士が互いに平行に隣り合うように一共通水平面内で横並びに所定の間隔で配置されている。隣り合う第１および第２のＧＭＲセンサストライプの上端縁同士は導電体によって電気的に接続されると共に、隣り合う第２および第３のＧＭＲセンサストライプの下端縁同士が導電体によって電気的に接続されている。さらに、残りの第３ないし第ＭのＧＭＲセンサストライプもまた、第１ないし第３のＧＭＲセンサストライプの接続状態と同様に接続されている。その結果、このＧＭＲセンサストライプアレイは、第１のＧＭＲセンサストライプの未接続下端縁から第ＭのＧＭＲセンサストライプの未接続上端縁までの連続した導電経路を有するリニアアレイとして構成されている。

本発明のＧＭＲセンサストライプアレイでは、隣り合うＧＭＲセンサストライプ同士の所定の間隔が検出対象の微小磁気粒子の直径よりも小さくなっていることが好ましく、また、ＧＭＲセンサストライプの幅が検出対象の微小磁気粒子の直径と等しくなっていることが好ましい。さらに、ＧＭＲセンサストライプを取り囲んで包み込む絶縁材料層を備え、この絶縁材料層によってＧＭＲセンサストライプに異方性の圧縮応力または引張応力が生ずるようになっていることが好ましい。また、ＧＭＲセンサストライプは、調整可能な磁歪係数を有する磁気フリー層を含み、この磁歪係数を調整した状態において、異方性の圧縮応力または引張応力が磁歪の作用と相まってＧＭＲセンサストライプの内部に応力由来磁気異方性を生じさせるようになっているのが好ましい。

本発明のＧＭＲセンサストライプの形成方法は、磁気ヒステリシスの影響に対して安定化されたバイアス点を有するＧＭＲセンサストライプを形成する方法であって、基板を用意するステップと、基板の上に水平に、調整可能な磁歪係数を有する磁気フリー層と、調整可能な磁歪係数を有する磁気ピンド層と、それらの間に設けられる非磁性導電性のスペーサとを含み、幅方向よりも長手方向の寸法の方が大きい矩形平面形状を有する積層構造のＧＭＲセンサストライプを形成することにより、フリー層およびピンド層に形状由来磁気異方性を発現させるステップと、ＧＭＲセンサストライプを絶縁層によって取り囲むことにより、ＧＭＲセンサストライプに異方性の圧縮応力または引張応力を加えるステップと、ピンド層およびフリー層の磁気モーメントをそれらの長手方向に設定し、形状由来磁気異方性により、ヒステリシスの影響に対してフリー層の磁気モーメントを安定化させるステップと、異方性の圧縮応力または引張応力と磁歪係数の調整との組み合わせに対してさらに形状誘起磁気異方性を組み合わせて、ピンド層およびフリー層の総合磁気異方性を低減させるステップとを含み、これにより、ＧＭＲセンサストライプの感度を向上させるようにしたものである。

本発明のＧＭＲセンサストライプの形成方法では、フリー層およびスペーサを、フリー層とピンド層との層間結合が最小になるような膜厚に形成するのが好ましい。

本発明のＧＭＲセンサストライプアレイの形成方法は、磁気ヒステリシスの悪影響を受けないＧＭＲセンサストライプからなり、微小磁気粒子の存在を検出するＧＭＲセンサストライプアレイを形成する方法であって、基板を用意するステップと、幅方向に沿って互いに平行に延びる１対の横行端縁と、この横行端縁よりも大きい寸法を有し長手方向に沿って互いに平行に延びる１対の側端縁とにより画定される矩形形状をそれぞれ有すると共に、水平方向に平面的であって互いに等しい構成を有する複数のＧＭＲストライプを、基板の上に形成し、互いに隣接するＧＭＲストライプの対向し合う側端縁同士が所定の距離を隔てて互いに平行になるようにすると共に、対応する横行端縁同士が共直線性(co-linear) を保つように各ＧＭＲストライプを配置するステップと、隣り合うＧＭＲストライプの横行端縁同士を導電体によって電気的に接続することにより、複数のＧＭＲストライプが、連続的に線形接続された電気回路を構成することとなるようにするステップと、複数のＧＭＲストライプを、絶縁材料からなる取り囲み層(surrounding layer) 中に封入するステップとを含むようにしたものである。

本発明のＧＭＲセンサストライプアレイの形成方法では、ＧＭＲセンサストライプを形成する工程が、基板の上にピンニング層を形成するステップと、ピンニング層の上にピンド層を形成するステップと、ピンド層の上に非磁性導電性のスペーサ層を形成するステップと、スペーサ層の上に強磁性のフリー層を形成するステップと、フリー層の上にキャップ層を形成するステップと、ピンド層およびフリー層を長手方向に磁化するステップとを含むようにし、かつ、ピンニング層、スペーサ層、フリー層およびキャップ層がすべて、幅方向よりも長手方向の寸法が大きい矩形形状をなすようにするのが好ましい。

本発明のＧＭＲセンサストライプアレイの形成方法では、フリー層を、Ｃｏ，ＦｅまたはＮｉのうちの１以上を含む強磁性合金とし、１ｎｍから１０ｎｍの膜厚を有するようにするのが好ましい。スペーサ層は、Ｃｕを用いて１ｎｍから２ｎｍの膜厚に形成するのが好ましい。取り囲み層は、酸化アルミニウム、酸化シリコンまたは窒化シリコンを用いて１００ｎｍから２μｍの膜厚に形成するのが好ましい。

本発明の第１のＧＭＲセンサストライプによれば、ピンド層、スペーサ層、フリー層およびキャップ層の各層が、幅方向の寸法よりも長手方向の寸法の方が大きく、かつ、非動作状態においてピンド層とフリー層の磁気モーメントが長手方向と平行になるようにしたので、例えば化学・生物学的な分子に結合した微小磁化粒子の存否検出に適した磁気デバイスを得ることができる。特に、磁気ヒステリシスに起因するフリー層バイアス点の非再現性を抑制することができ、微小な外部磁界に対するセンサ感度が向上する。

本発明の第２のＧＭＲセンサストライプによれば、スペーサ層と、磁歪係数を有するピンド層およびフリー層とを含む積層体と、この積層体を取り囲むように包み込み積層体に異方性の圧縮応力または引張応力を生じさせる絶縁材料層とを備え、各層が幅方向の寸法よりも長手方向の寸法の方が大きいことに起因する形状由来磁気異方性を有すると共に、フリー層が異方性の圧縮応力または引張応力と磁歪係数との組み合わせによる応力由来磁気異方性を有し、かつ、非動作状態においてピンド層とフリー層の磁気モーメントが長手方向と平行になるようにしたので、センサ全体としての磁化応答性が保たれ、微小な外部磁界に対しても応答可能なフリー層磁化を保ちつつ、再現性のよいバイアス点を有するＧＭＲセンサが得られる。

本発明のＧＭＲセンサストライプアレイによれば、細長い矩形形状を有し磁気バイアス方向が長手方向に沿ったＧＭＲセンサストライプを複数個横並びに配列すると共に、これらをつづら折り状に互いに電気的に直列接続するようにしたので、ＧＭＲストライプセンサがもつ磁気抵抗効果の性質を効果的に利用したＧＭＲセンサストライプアレイが得られる。特に、隣り合うＧＭＲセンサストライプ間のスペースを検出対象の磁気粒子の大きさよりも十分小さくし、各ストライプの幅を検出対象の磁気粒子の大きさと同等にすれば、微小磁気粒子の存否を高い感度で検出することが可能になる。

以下、本発明を実施するための最良の形態（以下、単に実施の形態という。）について、図面を参照して詳細に説明する。

本発明の好適な実施の形態は、（一般に、化学的分子に結合した）磁化粒子を検出することが可能なＧＭＲセンサストライプおよびＧＭＲセンサストライプアレイに関する。このＧＭＲセンサストライプおよびＧＭＲセンサストライプアレイは、その構造により、磁気ヒステリシスに起因するフリー層バイアス点の不安定さによる悪影響を受けない。ここでは「ストライプ」なる語を用いているが、これは、ＧＭＲセンサエレメントを特徴づけるため、そして、ほぼ長方形のストリップ(strip) 形状（すなわち、ストライプ形状）に成膜されていることを強調するためである。

例えば、バイオ化学的分析において、ターゲット分子に結合した磁気粒子（磁化されたのちは磁化粒子）を検出する場合、ＧＭＲセンサアレイは、ターゲット分子にとって結合可能な結合サイト（リセプタサイト）が貼り付けられた表面の下に形成される（図４参照）。検出プロセスを実行するためには、まず最初に、検出対象のターゲット分子はもちろんのことターゲット分子ではないものもまた、微小な磁気粒子に結合させることによって磁気的目印が付けられる（magnetically tagged ）。この磁気粒子は、のちに、外部磁界によって磁化され得るものである。

本実施の形態の利点は、アレイ中の各ＧＭＲセンサストライプにおけるフリー層およびピンド層の磁化バイアス点が、ストライプの長手方向を向いていることにある。ストライプが、薄く、かつ幅よりも長さが長くなるように形成されていることから、磁気ヒステリシスの影響に対して安定したバイアス点を長手方向に保つ形状（由来）異方性が存在する。この磁気ヒステリシスは、センサを用いた検出プロセスにおいてフリー層の磁気モーメントがサイクリックに動くことによって生ずるものである。長手方向のバイアス方向から磁化を逸らすように作用する微小外部磁界に対するセンサ感度が形状異方性によって悪影響を受けないようにするために、補償用異方性を発生させる。この補償用異方性は、センサ磁性層の磁歪に起因する応力誘起異方性と、センサを取り囲んで封入している様々なオーバー層による引張または圧縮によって生ずる磁性層内応力とを組み合わせることによって得られる。このような、磁歪とオーバー層の圧縮応力または引張応力との組み合わせを調整することにより、全体の磁気異方性を低減することができる。センサのフリー層は、ＧＭＲ比（ＤＲ／Ｒ）を犠牲にすることのない限りにおいて、できるだけ薄く形成し、また、フリー層とピンド層との間の層間結合は、磁気異方性よりも小さくなるように調整するのが好ましい。

本実施の形態の方法によって作製されるセンサストライプは、互いに平行に横並び配置されると共に、つづら折り状をなすように直列に電気接続されている。隣り合うストライプ間には狭いスペースが設けられ、それらの磁化（磁気モーメント）のバイアス方向は互いに平行になっている。このような構成を実現するために、複数のストライプを望ましい形に横並び配置し、その位置決めされた隣り合うストライプの上端同士および下端同士を導電体によって接続することにより、連続した電気回路を作り出す。それらのストライプ間のスペースは、（磁気粒子の直径よりも小さい程度に）十分に狭く、かつ、ストライプ自体も（磁気粒子の直径と同等程度に）十分に狭いので、ストライプアレイ上に置かれた各磁気粒子は、必ず、隣り合う２つのストライプにまたがるようになり、これにより、アレイの応答性が向上する可能性が高まる。

結合表面の形成方法、結合サイトの性質と形成方法、およびターゲット分子に磁気粒子を結合させる方法は、いずれも、従来より知られていることなので（上記のジャーナル記事や先行特許文献を参照）、以下に続く本発明の詳細な説明は、センサストライプおよびストライプアレイの構造に限定することとする。

図１は本発明の一実施の形態に係るＧＭＲセンサアレイを上から見た状態を表すものである。ここに示したＧＭＲセンサアレイは、３つのＧＭＲセンサストライプ（以下、単にストライプという。）１，２，３を電気的に接続してなる小さなアレイであり、より大きなアレイのうちの１部分を構成している。これらのストライプ１，２，３は、互いに平行な側方エッジ(lateral edge)１０１，２０２，３０３と、互いに平行な横行エッジ (traverse edge)１１１，２２２，３３３とを有する。側方エッジ１０１，２０２，３０３の長さは、およそ１０μｍから２００μｍである。一方、横行エッジ１１１，２２２，３３３の長さ（すなわち、幅寸法９００）は、およそ１μｍから５μｍであり、検出対象の磁気粒子の直径とほぼ同等である。ストライプ１，２，３は、次々と隣り合うように横並びに配置されると共に電気的に直列に接続され、全体が電気的に導通するようなつづら折り構造をなしている。そして、非動作時において、各ストライプの磁気モーメント１１，２２，３３が互いに平行になるようになっている。

互いに隣接するストライプ間の分離領域４４は、これを取り囲む絶縁層４５によって満たされており、その間隔寸法は、検出対象の磁気粒子の直径よりも小さく（通常は、０．２μｍから１μｍ程度）なっている。図に示したように、ストライプ１，２における共直線性(co-linear) の上側横行エッジ１１１，２２２は、導電体５００によって電気的に相互接続され、下側横行エッジ２２２，３３３は、導電体６００によって電気的に相互接続されている。自由端である下側横行エッジ１１１および上側横行エッジ３３３は、このアレイを外部回路（図示せず）に接続するために、端子コネクタ５５０にそれぞれ接続されている。これらの３つのストライプ１，２，３がアレイの一部である場合には、端子コネクタ５５０は設けられず、他のＧＭＲストライプへと接続されることになる。想像されるように、アレイがＭ個のストライプからなる場合には、２つのストライプを一組として同じようにして次々と接続が行われ、最も端のストライプ１，Ｍがそれぞれ端子コネクタ５５０に接続されることになる。図１に示したアレイは、これを取り囲む絶縁層４５の中に埋め込まれている。

各ストライプの長さと幅９００の寸法の違いにより、各ストライプには形状非対称性が生じ、その結果として、長手方向に沿って形状に由来する磁気異方性（以下、形状由来磁気異方性という。）が生ずる。フリー層のバイアス点（すなわち、非動作時の磁気モーメント）が図１に示したように長手方向を向いているときには、上記の形状由来磁気異方性は、フリー層のバイアス点を保つための補助となる。しかしながら、この磁気異方性は大き過ぎてはならない。さもないと、外部磁界が作用しているときに、フリー層の磁気モーメントの変化を妨げてしまうからである。このように、各ストライプは、必要なセンサ感度を得るために、ある程度の磁気モーメントを持たなければならない。このことについて、図２を参照して説明する。

図２は、図１に示した３つのストライプのうちの一つについての断面構造を表すものであり、ＧＭＲセンサストライプを構成する好適な積層シーケンスを示している。ＧＭＲセンサストライプは、下層側から順に、基板５５と、ピンニング層６６と、ピンド層７７と、スペーサ層８８と、フリー層９９と、オーバー層（キャップ層）１００とを有する。基板５５は酸化物等で構成可能である。ピンニング層６６は、反強磁性材料からなる単一層として構成可能である。ピンド層７７は、ＣｏＦｅやＮｉＦｅ等の強磁性材料からなる１ｎｍ〜１０ｎｍ程度の膜厚の単一層として形成してもよいし、あるいは、非磁性結合層を介して２つの強磁性層を結合させてなる積層シンセティック反強磁性層としてもよい。スペーサ層８８は、Ｃｕ等の非磁性導電性材料からなり、１ｎｍ〜２ｎｍ程度の膜厚である。フリー層９９は、ＣｏＦｅやＮｉＦｅ等の強磁性材料からなり、１ｎｍ〜１０ｎｍ程度の膜厚を有する。オーバー層１００は、センサ構造を保護するためのものである。このオーバー層１００は、センサ構造を取り囲むシリコン酸化物やシリコン窒化物等からなる絶縁層の一部であってもよいし、あるいは、磁気的目印が付けられた粒子(magnetically tagged particles) のための結合サイト(bonding sites) を支持する支持層の一部であってもよい。そのような支持層は上記と同様の絶縁材料で構成される。

このような構造のストライプを形成したのち、ピンド層７７およびフリー層９９は、それらの磁気モーメント方向（すなわち、磁化）をストライプの長手方向（図２の矢印７７７，９９９の方向、図１では矢印１１，２２，３３の方向）にセットするためにアニールされる。この結果、バイアス点（ストライプが動作していないとき（外部磁界が作用していないとき）の磁気モーメント方向）は、ストライプの長手方向を向くようになる。ここで特筆すべきは、ストライプが絶縁層４５によって取り囲まれ、隣接する回路（図示せず）から電気的に隔離されていることであり、そのような絶縁層が、ストライプに加わる応力の一因となることである。

スペーサ層８８を調整することにより、フリー層９９とピンド層７７との層間結合を低減することができ、これにより、微小な外部磁界に応じたフリー層の磁化変化によってセンサの必要な応答を生じさせることができる。さらに、フリー層９９は、センサのｄＲ／Ｒ（測定感度）を犠牲にすることなく、できるだけ薄く作製するのが好ましい。この結果、フリー層９９は微小な外部磁界にも応答することができるようになる。

さらに、従来より知られているように、強磁性層は磁歪という現象を呈する。通常、この磁歪は磁歪係数によって規定される。例えば、ＮｉＦｅ合金は、Ｆｅ含有量が１９％のときにほぼゼロとなる磁歪係数を有する。Ｆｅ含有量がそれよりも少ないときは磁歪係数は負となり、多いときは正となる。ここで形成するような、正の磁歪係数を有する薄膜は、その薄膜への引張応力の方向に磁気異方性を示す。同様に、負の磁歪係数を有する薄膜は、その薄膜への圧縮応力の方向に磁気異方性を示す。

ＧＭＲセンサは、金属ストライプ（図２参照）であり、それを取り囲む絶縁層の中に上から下まで（場合によっては基板自体も含めて）埋設されているので、一般に、ほぼセンサの積層面内において異方性の圧縮応力または引張応力がＧＭＲセンサに加わることとなる。この応力の大きさは、周囲の絶縁層を形成する材料や、製造工程中の特定のプロセスに依存する。ＧＭＲセンサの磁歪係数は、周囲の異方性応力との組み合わせにより、ストライプの長手方向と直交する方向（すなわち、幅方向）の応力誘起磁気異方性を生じさせる値となるように組成で調整可能である。例えば、ＧＭＲセンサの異方性応力が長手方向における引張応力である場合、磁気フリー層の磁歪係数がわずかに負となるように調整すれば、応力由来磁気異方性はストライプの長手方向と直交する方向になるであろう。但し、その応力由来磁気異方性の大きさは、正味の異方性が依然として長手方向となるのに十分なほどに小さいものである。

図３は、図１に示したアレイのうち、ストライプ１，２だけを取り出して模式的に表したものである。磁化粒子( 図示せず) が２つのストライプ間の分離領域の上方に置かれており、磁界の等高線( 同じ強さの磁界線) を規定する２つのローブ(lobes) １００１，２００２を発生させている。その磁界ベクトルは、ストライプの積層面内において、ローブで囲まれた矢印によって示される。ストライプ１，２が平行に構成されていること、および、磁化ビードからの磁界によって磁界１１，２２が新たな方向を向くこと、という２つの事実が、ストライプ間の狭い分離領域、各ストライプの狭小な幅寸法およびストライプの直列接続という３つの事実と組み合わされることにより、センサ応答性能を著しく増加させることがわかる。磁化粒子の存在に対するセンサアレイの応答が最大になるのは、図３に示したように、その粒子がストライプ間の分離領域４５の真上に位置しているときである。この位置では、２つのローブ１００１，２００２はそれぞれ、各ストライプの磁気モーメントの強い偏りを生じさせる。２つのストライプは直列接続されているため、各ストライプのｄＲ／Ｒが効果的に増加し、アレイの両端間には元の２倍の電圧降下が生ずる。もしも、磁化ビードが分離領域の真上に正確に位置していない場合であっても、各ストライプの狭小な幅のお陰で、磁化ビードからの磁界は１つ以上のストライプに作用を及ぼすので、アレイの応答性は確実に増加する。

以上、好適な実施の形態を挙げて本発明を説明したが、これらの実施の形態は本発明を具体的に図示して説明したものに過ぎず、本発明を限定するものではない。安定したフリー層バイアス点を有するＧＭＲセンサストライプの形成および提供に際して採用される方法、材料、構造および寸法については、本発明の主旨を逸脱しない範囲で、種々の修正や改変が可能である。

本発明のＧＭＲセンサストライプからなるセンサアレイの平面図である。 図１のセンサアレイのうちの一つのセンサストライプの断面図である。 図１のセンサアレイのうち互いに接続された２つのセンサストライプの平面図であって、磁化ビードの作用を説明するための図である。 ターゲット分子に結合した磁化ビードと、リセプタサイトに結合したターゲット分子とを模式的に表した図である。 図４に示した基板の下部に位置するＧＭＲセンサを表す断面図である。 従来のＧＭＲセンサの平面図であって、磁化粒子によって生じた外部磁界が存在している様子を示す図である。 通常のバイアスが印加された従来のＧＭＲセンサの斜視図であって、その上方に磁化粒子が配置されたときの状態を示す図である。

符号の説明

１，２，３…ＧＭＲセンサストライプ、１０…磁気粒子、１１，２２，３３…磁気モーメント、２０，５０…リセプタサイト、３０…ターゲット分子、４４…分離領域、４５…絶縁層、５５…基板、６６…ピンニング層、７７…ピンド、８８…スペーサ層、９９…フリー層、１００…オーバー層（キャップ層）、５００…導電体、８００…ストライプ幅。

Claims (26)

1. 等しい水平方向寸法を有する複数の水平平面層(horizontal planar layers)からなり、磁気ヒステリシスに対して安定化されたフリー層バイアス点を有するＧＭＲセンサストライプであって、
   磁気モーメントを有するピンド層と、
   前記ピンド層の上に形成された非磁性導電性のスペーサ層と、
   前記スペーサ層の上に形成され、磁気モーメントを有する強磁性のフリー層と、
   前記フリー層の上に形成されたキャップ層と
   を備え、
   前記各層は、幅方向の寸法よりも長手方向の寸法の方が大きく、かつ、
   非動作状態において、前記ピンド層とフリー層の磁気モーメントが前記長手方向と平行に配されている
   ことを特徴とするＧＭＲセンサストライプ。
2. 前記ピンド層とフリー層は、前記長手方向に沿って形状由来磁気異方性（shape induced magnetic anisotropies ）を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載のＧＭＲセンサストライプ。
3. 前記ピンド層とフリー層は、前記スペーサ層を介して磁気結合しており、この磁気結合は前記フリー層の形状由来磁気異方性よりも弱い
   ことを特徴とする請求項１に記載のＧＭＲセンサストライプ。
4. 前記フリー層は、ＣｏＦｅまたはＮｉＦｅからなり、１ｎｍから１０ｎｍの膜厚を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載のＧＭＲセンサストライプ。
5. 前記ピンド層は、ＣｏＦｅまたはＮｉＦｅからなり、１ｎｍから１０ｎｍの膜厚を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載のＧＭＲセンサストライプ。
6. 前記スペーサ層は、Ｃｕからなり、１ｎｍから２ｎｍの膜厚を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載のＧＭＲセンサストライプ。
7. 前記磁気結合により、微弱な外部磁界に対する前記フリー層の磁気モーメントの応答が最大になる
   ことを特徴とする請求項３に記載のＧＭＲセンサストライプ。
8. 前記フリー層は、その材料組成を変化させることによって調整可能な磁歪を示すものであり、ストライプ構造の周囲部分が前記フリー層内部に応力を発生させており、
   前記磁歪と前記応力との組み合わせが、ストライプの幅方向を向くと共に前記フリー層の形状磁気異方性を打ち消す応力由来磁気異方性（stress-induced anisotropy ）を生じさせるように、調整されている
   ことを特徴とする請求項２に記載のＧＭＲセンサストライプ。
9. 前記フリー層の長手方向の寸法は１０μｍから２００μｍであり、幅方向の寸法は１ｎｍから５ｎｍである
   ことを特徴とする請求項１に記載のＧＭＲセンサストライプ。
10. 等しい水平方向寸法を有し連続的に積層された複数の水平層（contiguous horizontal layers）からなるストライプ状の積層体として形成され、磁気ヒステリシスに対して安定化されたフリー層バイアス点を有するＧＭＲセンサストライプであって、
    磁気モーメントおよび磁歪係数を有するピンド層と、
    前記ピンド層の上に形成された非磁性導電性のスペーサ層と、
    前記スペーサ層の上に形成され、磁気モーメントおよび磁歪係数を有する強磁性のフリー層と、
    前記積層体を取り囲むように包み込んで、この積層体に異方性の圧縮応力または引張応力を生じさせる絶縁材料層と
    を備え、
    前記各層は、幅方向の寸法よりも長手方向の寸法の方が大きいことに起因する形状由来磁気異方性を有し、かつ、
    前記フリー層は、前記異方性の圧縮応力または引張応力と前記磁歪係数との組み合わせによる応力由来磁気異方性を備えており、かつ、
    非動作状態において、前記ピンド層とフリー層の磁気モーメントが前記長手方向と平行に配されている
    ことを特徴とするＧＭＲセンサストライプ。
11. 前記フリー層およびピンド層の磁化配列が、磁気ヒステリシスに対して安定したセンサ縦バイアス(lengthwise biasing)を生じさせる
    ことを特徴とする請求項１０に記載のＧＭＲセンサストライプ。
12. 前記フリー層は、ＣｏＦｅまたはＮｉＦｅからなり、１ｎｍから１０ｎｍの膜厚を有する
    ことを特徴とする請求項１０に記載のＧＭＲセンサストライプ。
13. 前記ピンド層は、ＣｏＦｅまたはＮｉＦｅからなり、１ｎｍから１０ｎｍの膜厚を有する
    ことを特徴とする請求項１０に記載のＧＭＲセンサストライプ。
14. 前記スペーサ層は、Ｃｕからなり、１ｎｍから２ｎｍの膜厚を有する
    ことを特徴とする請求項１０に記載のＧＭＲセンサストライプ。
15. ＧＭＲセンサストライプをつづら折り状に互いに電気的に直列接続して構成され、微小磁気粒子を検出するＧＭＲセンサストライプアレイであって、
    基板と、
    前記基板上に形成され、水平方向に平面的であって(horizontally planar) 互いに等しい構成を有する整数個（第１から第ＭまでのＭ個）のＧＭＲセンサストライプと
    を備え、
    各ＧＭＲセンサストライプは、幅方向の寸法よりも長手方向の寸法の方が大きい矩形形状を有すると共に、磁気バイアス方向が長手方向に沿っており、かつ、
    各ＧＭＲセンサストライプは、幅方向の上端縁および下端縁を有すると共に、それらの上端縁同士および下端縁同士が間隔をもって共直線性(co-linear) を保ちつつそれらの長手方向の側端縁同士が互いに平行に隣り合うように一共通水平面内で横並びに所定の間隔で配置され、
    隣り合う第１および第２のＧＭＲセンサストライプの上端縁同士が導電体によって電気的に接続されると共に、隣り合う第２および第３のＧＭＲセンサストライプの下端縁同士が導電体によって電気的に接続され、
    残りの第３ないし第ＭのＧＭＲセンサストライプもまた、前記第１ないし第３のＧＭＲセンサストライプの接続状態と同様に接続され、
    第１のＧＭＲセンサストライプの未接続下端縁から第ＭのＧＭＲセンサストライプの未接続上端縁までの連続した導電経路を有するリニアアレイとして構成されている
    ことを特徴とするＧＭＲセンサストライプアレイ。
16. 隣り合うＧＭＲセンサストライプ同士の前記所定の間隔は、検出対象の前記微小磁気粒子の直径よりも小さい
    ことを特徴とする請求項１５に記載のＧＭＲセンサストライプアレイ。
17. 前記ＧＭＲセンサストライプの幅は、検出対象の前記微小磁気粒子の直径と等しい
    ことを特徴とする請求項１５に記載のＧＭＲセンサストライプアレイ。
18. 前記ＧＭＲセンサストライプを取り囲んで包み込む絶縁材料層をさらに備え、
    前記絶縁材料層によって前記ストライプに異方性の圧縮応力または引張応力が生じている
    ことを特徴とする請求項１５に記載のＧＭＲセンサストライプアレイ。
19. 前記ＧＭＲセンサストライプは、調整可能な磁歪係数を有する磁気フリー層を含み、
    前記磁歪係数を調整した状態において、前記異方性の圧縮応力または引張応力が磁歪の作用と相まって前記ＧＭＲセンサストライプの内部に応力由来磁気異方性を生じさせている
    ことを特徴とする請求項１８に記載のＧＭＲセンサストライプアレイ。
20. 磁気ヒステリシスの影響に対して安定化されたバイアス点を有するＧＭＲセンサストライプを形成する方法であって、
    基板を用意するステップと、
    前記基板の上に水平に、調整可能な磁歪係数を有する磁気フリー層と、調整可能な磁歪係数を有する磁気ピンド層と、それらの間に設けられる非磁性導電性のスペーサとを含み、幅方向よりも長手方向の寸法の方が大きい矩形平面形状を有する積層構造のＧＭＲセンサストライプを形成することにより、前記フリー層およびピンド層に形状由来磁気異方性を発現させるステップと、
    前記ＧＭＲセンサストライプを絶縁層によって取り囲むことにより、前記ＧＭＲセンサストライプに異方性の圧縮応力または引張応力を加えるステップと、
    前記ピンド層およびフリー層の磁気モーメントをそれらの長手方向に設定し、前記形状由来磁気異方性により、ヒステリシスの影響に対してフリー層の磁気モーメントを安定化させるステップと、
    前記異方性の圧縮応力または引張応力と前記磁歪係数の調整との組み合わせに対してさらに前記形状誘起磁気異方性を組み合わせて、前記ピンド層およびフリー層の総合磁気異方性を低減させるステップと
    を含み、これにより、ＧＭＲセンサストライプの感度を向上させる
    ことを特徴とするＧＭＲセンサストライプの形成方法。
21. 前記フリー層および前記スペーサを、前記フリー層と前記ピンド層との層間結合が最小になるような膜厚に形成する
    ことを特徴とする請求項２０に記載のＧＭＲセンサストライプの形成方法。
22. 磁気ヒステリシスの悪影響を受けないＧＭＲセンサストライプからなり、微小磁気粒子の存在を検出するＧＭＲセンサストライプアレイを形成する方法であって、
    基板を用意するステップと、
    幅方向に沿って互いに平行に延びる１対の横行端縁と、この横行端縁よりも大きい寸法を有し長手方向に沿って互いに平行に延びる１対の側端縁とにより画定される矩形形状をそれぞれ有すると共に、水平方向に平面的であって互いに等しい構成を有する複数のＧＭＲセンサストライプを、前記基板の上に形成し、互いに隣接するＧＭＲセンサストライプの対向し合う側端縁同士が所定の距離を隔てて互いに平行になるようにすると共に、対応する横行端縁同士が共直線性(co-linear) を保つように各ＧＭＲセンサストライプを配置するステップと、
    隣り合うＧＭＲセンサストライプの横行端縁同士を導電体によって電気的に接続することにより、前記複数のＧＭＲセンサストライプが、連続的に線形接続された電気回路を構成することとなるようにするステップと、
    前記複数のＧＭＲセンサストライプを、絶縁材料からなる取り囲み層(surrounding layer) 中に封入するステップと
    を含むことを特徴とするＧＭＲセンサストライプアレイの形成方法。
23. ＧＭＲセンサストライプを形成する工程は、
    前記基板の上にピンニング層を形成するステップと、
    前記ピンニング層の上にピンド層を形成するステップと、
    前記ピンド層の上に非磁性導電性のスペーサ層を形成するステップと、
    前記スペーサ層の上に強磁性のフリー層を形成するステップと、
    前記フリー層の上にキャップ層を形成するステップと、
    前記ピンド層およびフリー層を前記長手方向に磁化するステップと
    を含み、
    ピンニング層、スペーサ層、フリー層およびキャップ層がすべて、幅方向よりも長手方向の寸法が大きい矩形形状をなすようにする
    ことを特徴とする請求項２２に記載のＧＭＲセンサストライプアレイの形成方法。
24. 前記フリー層は、Ｃｏ，ＦｅまたはＮｉのうちの１以上を含む強磁性合金からなり、１ｎｍから１０ｎｍの膜厚を有する
    ことを特徴とする請求項２３に記載のＧＭＲセンサストライプアレイの形成方法。
25. 前記スペーサ層を、Ｃｕを用いて１ｎｍから２ｎｍの膜厚に形成する
    ことを特徴とする請求項２３に記載のＧＭＲセンサストライプアレイの形成方法。
26. 前記取り囲み層を、酸化アルミニウム、酸化シリコンまたは窒化シリコンを用いて１００ｎｍから２μｍの膜厚に形成する
    ことを特徴とする請求項２２に記載のＧＭＲセンサストライプアレイの形成方法。

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